滇藏铁路丽香段玉龙雪山隧道大变形特征及原因分析

王雪冰

（中国铁路昆明局集团有限公司滇西铁路建设指挥部，云南 大理 671000）

1 引言

随着我国铁路建设事业的发展，涌现了大量的大型铁路工程，如川藏铁路、滇藏铁路等[1-2]。由于川滇地区位于亚欧板块与印度洋板块结合带，导致地形山高坡度谷深，修建环境较为恶劣，工程出现了一大批长大埋深隧道。隧道埋深的增加带来较大的地应力，若围岩较软，则会出现隧道支护变形难以控制的情况[3]，严重时甚至造成支护结构破坏、二衬开裂、仰拱隆起，给铁路隧道建设带来严峻挑战。

国内外学者针对深埋隧道的大变形问题开展了大量研究，主要集中在大变形特征、机理以及控制技术[4-6]方面。曹小平[7]针对板状软岩地层高地应力隧道大变形问题，提出了单层初支+ 双层二衬的隧道支护形式。结果表明，该隧道支护形式能较好地解决高地应力软岩隧道大变形问题。马栋[8]总结了成兰铁路、丽香铁路多座高地应力软岩隧道的施工经验，提出预留变形量是避免发生大变形后初支侵限的重要基础，双层初支+ 锚杆协同支护可有效提高初支刚度，减小围岩变形，采用合适的二衬施作时机既能有效地控制大变形又能减少二衬开裂。韩常领[9]依托连城山软岩隧道工程，基于施工监测数据，对比分析了单层I22b 钢拱架、单层H20b 型钢拱架、双层I22b 工字钢拱架和双层H20b 型钢拱架4 种初期支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征。结果表明，单层和双层I22b 钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形，而双层H20b 型钢拱架初期支护可以控制隧道围岩变形。

各种研究成果对解决高地应力软岩隧道大变形问题提供了一定的指导。然而，对于青藏高原隆起边缘地带丽香铁路玉龙雪山隧道而言，除高地应力因素外，岩体的岩性、强度、地质构造，以及断面形状、初支封闭成环时间等均会影响玉龙雪山隧道的大变形情况。

2 工程概况

2.1 项目概况

丽香铁路处于云南省西北部，全长139.686 km，南起丽江站，北至香格里拉站，为I 级单线铁路，路段旅客列车设计行车速度140 km/h。全线新建20 座隧道，总长92 554 m，其中，最长的隧道为玉龙雪山隧道，全长14 745 m。丽香铁路地形地质条件复杂，岩性软弱、岩体破碎、活动性断裂发育，具有高海拔、高地震烈度及高地应力等“三高”特征，隧道施工安全风险极大。

2.2 地质概况

丽香铁路地处青藏高原东南边缘川滇菱形断块的西部边界金沙江-中甸断裂带内[10]，属我国著名的南北向地震带，地质构造复杂。线路通过新构造运动强烈、应力集中度高、多期岩浆侵入的地质环境，软弱地层中存在高地应力，极易产生隧道大变形问题。本区域地质构造复杂、新构造运动强烈、地应力高，是我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区。

线路内密布碎裂化与片理化玄武岩、凝灰岩、炭质板岩、千枚岩、炭质页岩，属于软岩～极软岩。岩层在构造地质作用下扭曲变形严重，节理裂隙发育、岩体破碎。围岩稳定性差，存在软岩大变形危害。

玉龙雪山隧道位于龙蟠-乔后断层左侧650～1 000 m 近平行通过，且两穿玉龙雪山西麓断裂（见图1）。地下水较为发育，开挖揭示以线状～股状裂隙水为主。玉龙雪山隧道地层岩性复杂，以绿泥石化玄武岩、片理化玄武岩为主，局部夹凝灰岩，灰绿色、片状构造，呈层状、片状互层，局部仍保留有原岩中的气孔状、杏仁状及块状构造。岩质软硬不均，局部较软，易风化剥落，浸水软化后手能掰断，呈泥状。隧道开挖揭示围岩如图2 所示。

图1 玉龙雪山隧道线位布置图

图2 玉龙雪山隧道开挖揭示围岩

3 玉龙雪山隧道大变形特征

本隧道为特殊围岩和极端复杂地质条件下大变形，围岩地应力高、强度应力比小、松动圈大。大变形具有变形速率快、持续时间长、累计变形量大、无规律难以预见的特点。

3.1 变形特征

为了解玉龙雪山隧道变形特征，将DK41+750、DK41+760以及DK42+770 作为变形监测断面，采用全站仪+ 反光片的方式对隧道初期支护变形进行测量。变形监测结果如图3～图5 所示，监测结果统计见表1。

表1 变形监测结果统计

图3 DK41+750 断面位移时间曲线

图4 DK41+760 断面位移时间曲线

图5 DK41+770 断面位移时间曲线

由图3～图5 及表1 可知，试验段量测拱顶下沉314.29～360.01 mm，最大值为360.01 mm，平均值为338.36 mm；上台阶两侧相对收敛506.14～821.37 mm，最大值为821.37 mm，平均值为647.56 mm；中台阶两侧相对收敛785.56～939.62 mm，最大值为939.62 mm，平均值为845.86 mm。水平相对收敛值均大于拱顶沉降值。

3.2 初支结构破坏特征

玉龙雪山隧道大变形段初支结构破坏较为严重，其破坏形式主要包括初支喷混崩落、初支拱架扭曲弯折、二衬开裂及仰拱隆起开裂4 个方面。

1）在拱顶位置。初支拱架不仅承受较高的水平地应力，还受隧道直墙拱截面形式的影响，容易发生扭曲弯折，进而导致初支喷混局部受拉崩落。

2）在拱腰与边墙交接位置。初支拱架承受较高水平和竖向地应力的共同作用，拱架拼接位置较为薄弱，在高地应力作用下，拱架接头位置容易发生弯折破坏，进而导致拱架接头周边喷混受拉破坏。

3）在边墙位置。初支结构不仅承受较高的水平地应力，还会受截面形式影响，由于初支结构抗弯性能较差，因此，边墙位置的初支拱架容易随侧向地层挤出而发生扭曲变形，喷混随之发生崩落掉块。

4）在仰拱位置。受竖向地应力影响，局部仰拱发生隆起开裂。

3.3 松动圈特征

采用声波法分别在玉龙雪山隧道DK41+990、DK42+000进行松动圈测试，每个断面测试3 次，测试结果如图6、图7 及表2 所示。

表2 松动圈测试结果统计

图6 DK41+990 松动圈测试孔1 测试结果

图7 DK42+000 松动圈测试孔1 测试结果

根据玉龙雪山隧道DK41+990 松动圈测试孔1 结果：当测试孔深小于4.1 m 时，围岩波速在2.05 km/s 附近波动；测试孔深大于4.1 m 以后，波速在2.84 km/s 附近波动。测试孔深度小于4.1 m 范围内，波速相比于深度大于4.1 m 波速降低了27.8%，说明测试孔深度在4.1 m 范围的岩体的破碎程度较大；测试孔深度超过4.1 m 后，岩体的完整性提升，破裂程度降低。围岩的波速在测试孔深度约4.1 m 时会有明显的变化，故断面DK41+990 的松动圈厚度约4.1 m。

玉龙雪山隧道DK41+990、DK42+000 断面共进行了6 次测量得到的松动圈测试汇总结果见表2。2 个测试断面松动圈发育厚度分别为4.27 m 和4.33 m，综合判断玉龙雪山隧道测点处松动圈厚度约4.33 m。

4 玉龙雪山隧道大变形原因分析

通过对丽香铁路玉龙雪山隧道围岩变形、 初支破坏及松动圈规律进行分析、总结，玉龙雪山隧道产生大变形的原因主要在于地质构造、地应力、岩层方向、岩石强度、洞室形状及初支封闭成环时间等多个方面。

4.1 地质构造

玉龙雪山隧道 （原中义隧道） 位于龙蟠- 乔后断层左侧650～1 000 m 近平行通过（见图8），且小角度两穿玉龙雪山西麓断裂（见表3），隧道区岩体受构造影响严重，岩体片理化、碎裂化。

表3 玉龙雪山隧道断层情况

图8 龙蟠- 乔后断层与隧道相对位置

4.2 地应力

在勘察阶段，采用水压致裂法对玉龙雪山隧道进行了地应力测试，共完成了12 孔、76 段测试成果。详见表4。

表4 玉龙雪山隧道勘察阶段地应力测试

根据勘察阶段地应力测试结果统计分析，玉龙雪山隧道实测最大水平主应力为15.44 MPa（埋深约372 m 处），最大竖向主应力为12.13 MPa（埋深约459 m 处）。隧道最大水平主应力与垂直应力的比值平均为1.33，最大达1.91，方向为N14°～32°W，表明隧址区内地应力以构造应力为主。因此，构造地应力高也是造成玉龙雪山隧道产生大变形的根本原因之一。

4.3 岩层顺层偏压

玉龙雪山隧道线路走向与岩层走向大致平行，且开挖揭示岩层倾角约45°，因此，容易带来顺层偏压问题。由于隧道两侧存在顺层岩层，隧道开挖后在地应力作用下，围岩沿着顺层面发生滑移，导致隧道两侧边墙承受的荷载不同，再加之构造地应力较大，进一步加剧了顺层偏压的程度，导致隧道边墙极易产生变形。

4.4 岩体夹层软弱

玉龙雪山隧道岩石定名为深灰绿色杏仁状橄榄玄武岩，标本岩石具斑状结构，斑晶含量约35%～40%，粒径多在0.2～6 mm，基质具显微晶质结构。

矿物成分及含量如下。

橄榄石（约30%～35%）：呈斑晶产出，多呈较自形短柱状、粒状，部分切面呈长六边形状，裂纹较为发育，矿物颗粒大小不等，粒径最大可达约6 mm，蚀变强烈，只保留假象，多发生包林皂石化，可见蚀变的蒙脱石—绿泥石集合体；

辉石（约30%～35%）：其中约5%呈斑晶产出，呈无色短柱状或粒状，部分较自形的颗粒可见辉石式解理和简单双晶，较新鲜无蚀变，裂纹发育，约25%～30%呈细小微晶产出，为岩石中基质组成，呈较自形细小短柱状、粒状较均匀分布；

斜长石微晶（约3%～6%）：呈较自形细小长柱状微晶产出，为岩石基质组成，光性微弱，边缘模糊；

隐晶质成分（约30%）：分布在基质中的微晶间，呈灰褐色，分布不均匀，局部含量相对较高。此外，可见极少量金属矿物呈黑色等轴粒状，多被蚀变橄榄石包裹或半包裹。薄片中可见面积比约3%的杏仁体，部分呈不规则状，部分呈近圆状，多充填浅黄绿色绿泥石。岩石中还可见细小绿泥石脉体产出。

矿物分析结果显示，隧道大变形段的玄武岩结构面有绿泥石、蒙脱石等蚀变矿物富集，极大弱化了岩体的强度。凝灰岩岩质极软，多呈土状，且分布规律较差，多成团状分布。凝灰岩的存在降低了片理化玄武岩的强度，导致岩体强度降低，加剧了隧道大变形的产生。

4.5 围岩原位强度低

玉龙雪山隧道大变形段位于玉龙雪山西麓断层内，以压碎岩、片理化玄武岩为主，局部为断层角砾，岩体松散破碎，掌子面有股状裂隙水，围岩稳定性极差，围岩级别为Ⅴ级。围岩原位强度测试共测试4 个测点，左右边墙各布置2 个。围岩原位强度测试采用RBST 岩石钻孔剪切测试系统[11]。测试结果如表5 及图9 所示。

表5 原位强度测试结果

图9 法向力与剪切力关系

由表5 及图9 可知，玉龙雪山隧道围岩测点处原位强度内聚力约220 kPa，内摩擦角约15°。该段施工揭示的围岩主要为片理化玄武岩，围岩整体性差，围岩原位强度低。现场工程岩体由岩块与节理组合而成，其强度主要取决于结构面的强度、数量和组合形式。滇西地区新生代构造运动剧烈且多期，这些构造运动产生的结构面大大降低了围岩整体强度，进而造成玉龙雪山隧道产生大变形。

4.6 断面形式

丽香铁路为单线铁路，隧道断面采用直墙拱形（见图10），隧道高跨比大，约为1.4，均不利于水平收敛控制。据监控量测成果数据分析（见图3～图5），隧道洞内初期支护变形特点表现为水平收敛较大，拱顶下沉量较小，因此，直墙拱形断面加剧了玉龙雪山隧道大变形的程度。

图10 丽香线大变形段隧道断面

4.7 初支封闭成环时间

现场试验结果表明，初支封闭成环前的变形速率约为3～5 cm/d，初支封闭成环后的变形速率约为1～2 cm/d，封闭成环成速率逐渐降低趋于稳定。经统计表明，初支封闭成环时间控制在10～15 d 内，现场变形均较为可控。

5 结语

本文依托丽香铁路玉龙雪山隧道，总结了玉龙雪山隧道大变形的变形、 破坏及松动圈特征，分析了隧道大变形的原因，主要得以下结论：

1）试验段量测拱顶下沉平均值338.36 mm，上台阶收敛平均值647.56 mm，中台阶收敛平均值845.86 mm，水平收敛均大于拱顶沉降值。

2）初支结构破坏形式主要包括初支喷混崩落、初支拱架扭曲弯折和仰拱隆起开裂，其中，拱顶和边墙破坏最为严重。

3）监测断面松动圈基本稳定，测点处松动圈厚度为4.33 m，约1/2 倍隧道跨度。

4）隧道区岩体受构造影响严重，岩体片理化、碎裂化，围岩原位强度较低，地下水较发育，软弱夹层岩性是导致隧道大变形的原因之一。

5）岩层顺层问题较为突出，容易导致偏压，对边墙稳定不利，隧道穿越区内的地应力水平较高，再加上隧道高跨比较大，不利于控制水平收敛，这是导致隧道大变形的另一个重要原因。

6）除以上地质原因外，隧道结构断面形状曲率、初支钢架封闭成环时间均对大变形的发生有重要影响。